題目
Problem
4. Let a>0 be a constant. Evaluate
∫0a(x2+a2)3/2x2dx.(10%)
解答
思路
展開
- 根式項含有 x2+a2,採用正切代換:令 x=atanθ⟹dx=asec2θdθ。
- 轉換積分範圍:
- 當 x=0⟹θ=0
- 當 x=a⟹θ=4π
- 將代換式代入,進行三角函數化簡後求解定積分。
答題過程
展開
令 x=atanθ⟹dx=asec2θdθ。
分母項為:
(x2+a2)3/2=(a2tan2θ+a2)3/2=(a2sec2θ)3/2=a3sec3θ
積分限轉換:
- 當 x=0⟹θ=0
- 當 x=a⟹θ=4π
代入積分式:
I=∫04πa3sec3θa2tan2θ⋅asec2θdθ
=∫04πsecθtan2θdθ=∫04πcosθsin2θdθ
=∫04πcosθ1−cos2θdθ=∫04π(secθ−cosθ)dθ
=[ln∣secθ+tanθ∣−sinθ]04π
=(ln∣2+1∣−22)−(ln∣1+0∣−0)
=ln(2+1)−22
結論:
定積分值為 ln(2+1)−22。